KR101551726B1 - Method and apparatus for diagnosing where abnormal state of degaussing coils of naval ship - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정된 자기장 신호를 바탕으로 매질 민감도 법을 이용한 역 문제 해석 방법을 적용하여 선체 표면의 자하 분포를 도출하고, 이로부터 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus for diagnosing the position of an element coil of an unsteady trap, and more particularly, to an inverse problem analysis method using a medium sensitivity method based on a measured magnetic field signal, And to a method and an apparatus for diagnosing the position of an element coil of a trap which is in an abnormal state.
16세기부터 해로를 통한 함정의 접근을 차단하고 함정의 기능을 무력화하기 위한 목적으로 개발된 기뢰(mine)는 이후, 수많은 전쟁을 통해 그 효용성이 입증되었으며, 현대 해전에서도 매우 효과적인 무기로서 전략적 가치를 지니고 있다. 또한, 함포, 미사일, 잠수함과 같이 고비용 무기에 비해 저렴한 비용으로 전략화가 가능하고, 복잡한 기술을 필요로 하지 않기 때문에 선진국뿐만 아니라 비교적 기술 수준이 낮은 국가에서도 공격, 방어의 형태로 이를 효과적으로 활용하고 있다.Since the 16th century, the mine, which was developed for the purpose of blocking the access of the ship through the sea and neutralizing the function of the ship, proved its effectiveness through numerous wars. . In addition, it can be strategically used at low cost compared to high-cost weapons such as guns, missiles, and submarines, and it does not require complicated technology, .
기뢰는 운용방식 및 형태에 따라서 그 종류가 매우 다양하다. 그 중 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 기뢰인 자기 감응형 기뢰는 내부의 자기센서를 이용해서 함정에서 발생하는 정 자기장을 주로 탐지한다. 함정으로부터의 정 자기장은 함정 선체를 이루는 강자성 재질인 철에 기인하여 발생하는 신호이다. 이러한 강자성 선체에서 발생하는 정 자기장은 거리에 따른 신호의 감쇄가 매우 심해서 원거리에서는 탐지하기 어렵다는 단점이 있지만, 천해와 같이 외부 환경 잡음으로 인한 탐지 성능이 매우 제한적인 지역에서도 음향 신호와는 달리 근거리에서 명확하게 식별할 수 있다는 장점이 있다. 특히 근래에는 반도체 및 IT산업의 성장을 기반으로 지구자기장의 수천-수만 분의 일의 정밀도로 탐지할 수 있는 고감도 자기센서의 개발과 함께 신호처리 기술의 발달로 함 발생 자기장을 보다 정확하게 원거리에서 탐지할 수도 있다. 따라서 함정의 생존성 증대를 위해서는 함정으로부터 발생하는 자기장을 최소화할 필요가 있다.The types of mines vary greatly depending on the mode of operation and type of mine. The most commonly used mine-type self-sensing mine detects the static magnetic field generated in the ship by using the magnetic sensor inside. The static magnetic field from the ship is a signal caused by iron, which is a ferromagnetic material that forms the ship's hull. Although the static magnetic field generated from the ferromagnetic hull has a disadvantage in that it is difficult to detect at a long distance due to a very severe attenuation of the signal depending on the distance, unlike the acoustic signal, even in a region where detection performance due to external environmental noise is very limited There is an advantage that it can be clearly identified. Especially in recent years, the development of signal processing technology with the development of high sensitivity magnetic sensor that can detect with the precision of thousands to tens of thousands of days of the earth magnetic field based on the growth of the semiconductor and IT industry can detect the generated magnetic field more precisely at a distance You may. Therefore, in order to increase the survivability of the trap, it is necessary to minimize the magnetic field generated from the trap.
지자계 하에서 강자성체로 구성된 함정에서 발생하는 자기장을 저감시키는 기술은 대표적으로 탈자(deperming)와 소자(degaussing)로 구성되며 이들은 각각 함정 선체로부터 발생하는 정 자기장 성분인 영구자기장과 유도자기장을 감쇄시키는 기술이다. 탈자는 함 외부에서 강한 자기장을 인가한 후 서서히 줄여가는 방법으로 강자성 재질의 선체에 착자된 영구자기장 성분을 저감시키는 방법이고, 소자는 함정 내에 3축 방향으로 별도의 코일을 배치하고 함정 자기장과 역방향의 자기장을 생성시킴으로써 전체 함정의 자기장을 저감시키는 방법이다. 함정 자기장을 저감시키는 순서는 먼저 탈자를 통해 일차적으로 함정의 영구자기장 성분을 감소시키고, 탈자 후 잔류하는 영구자기장 성분과 유도자기장 성분은 함정 내에 장착된 각 소자 코일을 이용하여 이들 성분을 최대한 상쇄시킬 수 있는 소자 전류를 인가함으로써 감소시킨다. 따라서 날로 지능화되고 정교해지는 자기 감응식 기뢰로부터 함정의 생존성을 높이기 위해서는 소자코일의 적절한 운용을 통해 함정의 수중 자기장을 최소화시키는 것이 매우 중요하다. Techniques for reducing the magnetic field generated by a ferromagnetic material under a geomagnetic system are typically composed of depermation and degaussing, which are techniques for attenuating permanent magnetic fields and induced magnetic fields, to be. The demagnetization is a method of reducing the permanent magnetic field component magnetized on the hull of a ferromagnetic material by applying a strong magnetic field outside the compartment and gradually reducing it. The element places a separate coil in the three axial directions in the vessel, To reduce the magnetic field of the entire vessel. In order to reduce the traps magnetic field, first, the permanent magnetic field component of the trap is reduced through the demagnetization, and the permanent magnetic field component and the induced magnetic field component remaining after demagnetization are canceled by using the element coils mounted in the vessel, By applying a device current that can be applied. Therefore, it is very important to minimize the underwater magnetic field of the ship through proper operation of the element coil to enhance the survival of the ship from the intelligent and elaborate self-sensing mines.
그러나 함정의 운항 조건, 환경 및 전기적인 열화 등의 여러 가지 요인에 의해 운영 중인 소자 코일의 일부에 고장이 발생하거나 국부적으로 자기장 특성이 변화 될 경우 등과 같이 소자코일의 비정상상태가 발생하는 경우, 선체 주위의 수중 자기장 신호는 급격하게 증가하게 되어 함정의 생존성에 치명적인 결함요소가 된다. 이러한 결함요소를 제거하기 위해서 대상 함정은 가능한 빠른 시일 내에 자기측정소에 귀환하여 고장코일의 위치를 파악하거나 재교정이 필요한 대상코일 등의 비정상상태인 소자코일의 위치를 파악하여야 한다. 고장 소자 코일 혹은 재교정이 필요한 코일 등 비정상 상태인 소자코일의 위치를 파악하기 위해서는 일반적으로 함정 설계도와 소자코일에 대한 함정 내부의 전기배선도 및 각 소자코일 별로 정상 동작 여부를 일일이 확인하는 작업이 수행되어야 하므로 보완이 필요한 소자 코일을 진단하는데 상당한 시일이 요구된다. 이는 함 운용을 제한하는 결과를 초래하므로 전시 아군의 전력에 있어서 심각한 손실을 가져올 수도 있다.However, when an abnormal state of the element coil occurs such as a failure in a part of the element coil or a change in the magnetic field characteristic locally due to various factors such as the operating condition of the vessel, the environment and electrical deterioration, The underwater magnetic field signal around it suddenly increases and becomes a fatal factor in the survival of the ship. In order to eliminate these defects, the target vessel should return to the magnetometer as soon as possible to locate the fault coil, or to locate the element coil, which is an abnormal state, such as a target coil, which needs to be recalibrated. In order to understand the position of the element coil which is in an abnormal state such as the coil of the fault element or the coil which needs to be re-calibrated, it is generally necessary to check the operation plan of the electric wiring diagram and the element coil for each element coil Therefore, considerable time is required to diagnose the element coils that need to be supplemented. This can result in serious damage to the power of the allied forces, resulting in limitations on the operation of ships.
본 발명의 목적은 함정 내부에 설치된 소자 코일의 일부에 고장이 발생하거나 외부 환경에 의해 함정의 자기장 특성이 국부적으로 변함으로 인하여 특정 소자코일의 수리 또는 소자전류의 재산정이 필요할 경우와 같이 소자코일의 비정상상태가 발생한 경우, 이를 진단하는데 상당한 시일이 소요되는 기존 방식과 달리 함정으로부터 측정된 수중 자기장 신호를 이용하여 선체의 자하 분포를 예측하고 이를 3차원으로 가시화하여, 신속하게 비정상 상태인 소자코일을 식별할 수 있는 방법을 제안한다. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for repairing a specific element coil due to the occurrence of a failure in a part of an element coil installed in a vessel or a magnetic field characteristic of the vessel being locally changed by an external environment, Unlike the conventional method, which requires a considerable time to diagnose an abnormal condition, the submersion distribution of the hull is predicted by using the underwater magnetic field signal measured from the ship, We suggest a method that can be identified.
본 발명에 따른 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치를 사용하면 대상 함정의 설계도와 소자코일에 대한 함정 내의 전기배선도 검토 작업 및 각 소자코일 별로 정상 동작 여부 테스트 작업 등의 과정을 수행하지 않고도 정확하게 비정상 상태인 소자 코일의 위치를 추정할 수 있다. Using the apparatus for diagnosing the position of the element coil of an abnormal state traps according to the present invention, it is possible to carry out a process of examining the design of the target vessel, the electric wiring diagram in the vessel for the element coil, and the normal operation test operation for each element coil It is possible to accurately estimate the position of the element coil which is in an abnormal state.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 기술을 제공한다.The present invention provides the following technique to solve the above problems.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치는 함정에서 발생하는 자기장신호를 측정하기 위한 신호 측정부(110); 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산화(discrete)된 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하고, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 측정 데이터를 역 문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부(130); 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역 문제(inverse problem) 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(node)에 분포된 자하(magnetic charge)의 크기를 결정하는 역 문제 해석부(150); 및 상기 역 문제 해석부에 의한 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 가시화부(170)를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, an apparatus for diagnosing the position of an element coil of an unsteady trap includes a
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 신호 측정부(110)는 자기장 신호 감지를 위해 일정한 수심에 설치되는 다수의 자기장 센서와, 함정의 이동궤적을 측정하여 상기 자기장 센서와 함정 간의 상대적인 거리를 측정하기 위한 육상제어장치(310) 및 해상 제어장치(210)와, 상기 자기장 센서와 육상제어장치(310)로부터 측정된 신호를 저장하기 위한 자료저장장치를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 육상제어장치(310) 및 해상제어장치(210)는 DGPS(Differential GPS)장비인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 역 문제 해석부(150)는 역 문제 해석 방법을 이용하여 상기 목표 데이터로부터 상기 전처리부에 의해 분할된 함정의 각 면 요소의 노드에 이산 분포된 자하의 크기를 구하고, 그 구해진 자하의 크기로부터 다시 측정 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하며, 계산된 결과와 목표 데이터인 측정 결과를 비교하여 그 차이가 목적함수의 수렴범위 내에 존재하면 역 문제 해석을 종료하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the inverse
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 목적함수는 함정의 소자코일의 비정상 상태가 발생하기 전 및 비정상상태가 발생한 후의 일정한 수심에서 관측된 자기장 신호 크기의 차이와 상기 설계변수로부터 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the objective function may include a difference between a magnitude of a magnitude of a magnetic field signal observed at a certain depth before an abnormal state of an element coil of the vessel and an abnormal state occurs, And a sum of squares of the difference between the magnitude and the magnitude.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 가시화부(170)는 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면에서 자기전하의 음, 양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 진단하도록 자기전하의 음, 양의 분포를 표시하는 것을 특징으로 한다.According to yet another embodiment of the present invention, the
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 신호 측정부(110), 전처리부(130), 역 문제 해석부(150) 및 가시화부(170)를 포함하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법으로서,According to another embodiment of the present invention, the position of an element coil of an abnormal state trap including the
(a) 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 상기 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정부의 해상제어장치(210) 및 육상제어장치(310)에서 수신하여 자기장 신호를 측정하는 단계(S401);(a) As the trajectory moves along a predetermined trajectory, a signal of the sensor according to the relative distance between the magnetic field sensor and the vessel is received by the
(b) 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산화된 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하는 단계(S402);(b) dividing the surface of the hull of the ship into a plurality of surface elements by the pre-processing unit in order to distribute the magnetic field signal to the surface of the hull of the ship in a discretized form (S402);
(c) 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역 문제 해석부에 의한 역 문제 해석방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 단계(S403); 및(c) using the inverse problem analysis method by the inverse problem analysis unit, based on the magnetic field signal of the trap measured by the signal measuring unit and the shape information of the trap divided into a plurality of surface elements by the preprocessing unit (S403) of determining the magnitude of the magnetic field distributed to the nodes of the respective elements of the vessel; And
(d) 상기 역 문제 해석부에 의한 역 문제 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 단계(S404)를 포함한다.
(d) visualizing the hypocentral distribution of the surface of the hull, which is derived from the inverse problem analysis result by the inverse problem analysis unit, in three dimensions, and diagnosing the position of the element coil of the trap in an abnormal state (S404).
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 단계 (c)에서의 상기 역 문제 해석방법은,According to another embodiment of the present invention, the inverse problem analysis method in the step (c)
자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의하는 단계;Defining a design parameter and an objective function for calculating a magnitude of a magnetic field signal;
상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집하는 단계;Collecting the shape information of the traps divided into a plurality of surface elements by the preprocessing unit and the magnetic field signal of the traps measured by the signal measuring unit after the design variables and the objective function are defined;
상기 설계변수의 초기치()를 0으로 설정하고 k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기()를 바탕으로 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기()를 계산하는 단계;The initial values of the design variables ) Is set to 0 and the size of the design variable obtained in the k-th iteration step ( The magnitude of the magnetic field signal at the same point as the measurement point ( );
상기 계산된 자기장 신호의 크기()로 부터 목적함수(), 가상소스() 및 보조변수()를 각각 계산하는 단계;The magnitude of the calculated magnetic field signal ( ) From the objective function ( ), A virtual source ( ) And auxiliary variables ( Respectively;
상기 계산된 가상소스()와 보조변수()를 바탕으로 매질 민감도()를 계산하는 단계;The calculated virtual source ( ) And auxiliary variables ( ) On the basis of the medium sensitivity );
상기 계산된 매질 민감도()와 목적함수()의 크기에 의해 해(解)의 수렴 여부를 판단하는 단계; 및The calculated medium sensitivity ( ) And the objective function ( Determining whether the solution is converged by the size of the solution; And
상기 판단결과, 해가 수렴되면 역 문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설계변수()의 크기를 달리하여 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수()와 매질 민감도()를 계산하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다.As a result of the determination, if the solution converges, the inverse problem interpretation is terminated. If convergence is not achieved, ) Until the solution is converged, ) And medium sensitivity ) Is repeatedly performed.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 설계변수는 선체 표면을 다수개의 유한요소로 분할한 후, 요소 내의 벡터 량을 갖는 자화의 크기를 요소를 구성하는 각 선분 상의 스칼라 량을 갖는 자기전하형태로 변환하여 정의한 것이고, 상기 목적함수는 함정의 소자코일의 비정상 상태가 발생하기 전 및 발생한 후의 일정한 수심에서 관측된 자기장 신호의 크기의 차이와 상기 설계변수를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the design variables are obtained by dividing the surface of the hull into a plurality of finite elements, and then calculating the magnitude of the magnetization having the vector quantity in the element as a self-charge shape having a scalar quantity on each line segment constituting the element And the objective function is defined as a difference between the magnitude of the magnitude of the magnetic field signal observed at a certain depth before and after the occurrence of the abnormal state of the element coil of the trap and the magnitude of the magnitude of the magnetic field signal calculated based on the design parameter Is a result of summing all the squares of < RTI ID = 0.0 >
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 설계변수의 크기()를 바탕으로 계산한 자기장 신호의 크기()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the size of the design variable ( The magnitude of the magnetic field signal calculated on the basis of ) Is expressed by the following equation.
여기서, 는 자기 투자율, 는 선체 두께, 는 k번째 요소 선분에서의 자하량, 은 선체 표면의 k번째 요소 선분과 관측점 사이의 거리, 은 해당 요소의 선분의 길이이다.here, Magnetic permeability, Is the thickness of the hull, Is the self-contained amount in the kth element line segment, Is the distance between the kth element line segment of the hull surface and the observation point, Is the length of the line segment of the element.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 목적함수()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the objective function ( ) Is expressed by the following equation.
여기서, 어깨 문자인 nor과 abnor은 각각 정상, 비정상인 소자 상태이고, 는 수중 자기장이다. 여기서 아래 문자인 i는 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축이고, j는 관측점이다. 또한,는 관측점의 개수이고, 은 선체를 분할한 요소의 전체 선분의 개수이다.Here, the shoulder letters nor and abnor are normal and abnormal element states, respectively, Is an underwater magnetic field. Here, the following character i is an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis, which are direction vectors, and j is a viewpoint. Also, Is the number of observation points, Is the total number of line segments of the element that divides the hull.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 가상소스() 및 보조변수()는 각각 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the virtual source ( ) And auxiliary variables ( ) Are expressed by the following equations.
여기서, 는 번째 관측점에서 자화량()의 번째 방향성분이고, 선체 요소의 번째 선분에서의 보조변수()는 각 관측점에서 자화량 에 의해 발생하는 번째 선분에서의 자기전위의 합이다.here, The Magnetization amount at the second observation point ( )of Of the hull element, Of the second line segment ( ) Is the magnitude of magnetization Caused by Lt; th > line segment.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 매질 민감도()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the medium sensitivity ( ) Is expressed by the following equation.
여기서, 는 요소의 번째 선분에서 계산되는 매질 민감도 값이다.here, Of the element Is the medium sensitivity value calculated in the second line segment.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 (d)단계는 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면에서 자기전하의 음,양의 분포를 파악하고, 상기 자기전하의 음,양의 분포가 표시된 도면으로부터 자기전하의 음,양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 파악할 수 있는 것을 특징으로 한다.According to still another embodiment of the present invention, the step (d) is a step of visualizing the distribution of the magnetic charge of the hull in three dimensions and grasping the negative and positive distribution of the magnetic charge, It can be understood that the element coil between the negative and positive distributions of the magnetic charge is in an abnormal state.
본 발명에서는 측정된 수중 자기장 신호로부터 역 문제 해석을 통해서 대상 함정의 선체의 자하 분포를 추정하고, 이를 바탕으로 비정상상태인 코일 위치를 탐색하는 방법을 제시하였다. 이는 함정 내에 설치된 일부 소자 코일에 비정상상태가 발생될 경우, 설계도면 검토 및 각 소자 코일을 직접 테스트하여 비정상상태의 소자코일을 검출하는 기존 방식과 달리 대상 함정의 측정된 수중 자기장으로부터 역 문제 해석을 통해서 선체의 자하 분포를 추정하고, 이를 3차원으로 가시화하여 자기전하의 음,양의 분포를 파악하고, 상기 자기전하의 음,양의 분포가 표시된 도면으로부터 자기전하의 음,양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 파악함으로써 비정상상태인 소자코일의 위치를 신속하게 추정할 수 있으므로 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있다. 따라서 이는 소자 코일의 유지/보수 측면에서의 시간적/경제적 이득뿐만 아니라 함정 수중 자기장 스텔스의 성능 보장도 가능하므로 궁극적으로 함정의 생존성 향상에 크게 기여할 수 있다. In the present invention, a method of estimating the undershoot distribution of the hull of the target vessel through the inverse problem analysis from the measured underwater magnetic field signal, and searching for the coil position in an abnormal state based on the estimation. In contrast to the conventional method of detecting unsteady element coils by examining the design drawings and directly testing each element coil when anomalies occur in some element coils installed in the traps, the inverse problem analysis from the measured underwater magnetic field of the target vessel The distribution of the negative and positive values of the magnetic charge is obtained by visualizing the distribution of the self-charge of the hull through three-dimensional visualization, and the distribution of the negative and positive values of the magnetic charge is plotted. The position of the element coil in an abnormal state can be quickly estimated by detecting that the element coil is in an abnormal state, so that the time required for diagnosing the position of the element coil of the abnormal state trap can be drastically shortened. Therefore, not only the temporal / economic gain in terms of maintenance / maintenance of the element coil, but also the performance of the magnetic field stealth in the trap can be ensured, which ultimately contributes greatly to the improvement of the survival of the trap.
도 1은 본 발명에 따른 함정 내의 소자코일의 배치도이다.
도 2는 본 발명에 따른 함정의 소자코일이 정상 및 비정상 상태인 경우의 함정의 자기장 크기의 비교결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 함정의 비정상상태인 소자코일의 위치를 진단하는 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 함정의 비정상상태인 소자코일의 위치를 진단하는 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 함정의 선체를 면 요소로 분할한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 함정의 수중 자기장으로부터 선체에 분포하는 자기 전하 분포를 탐색하는 역 문제 해석방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 분할된 선체 요소 내의 요소 선분에 분포하는 자기전하를 정의한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 소자 코일의 비정상 상태를 모의한 예시 및 상기 예시에서 정상, 비정상상태인 소자코일을 포함한 함정의 수중 자기장의 크기의 비교결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 함정의 비정상상태인 함정의 소자 코일의 위치를 진단하는 방법의 개념도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a layout of element coils in a vessel according to the invention.
2 is a diagram showing the result of comparison of the magnetic field magnitudes of the traps in the case where the element coils of the traps according to the present invention are in the normal and abnormal states.
3 is a conceptual diagram of an apparatus for diagnosing the position of an element coil in an abnormal state of a vessel according to the present invention.
4 is a conceptual diagram of a system for diagnosing the position of an element coil, which is an abnormal state of a vessel according to the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram of a hull of a ship according to the present invention divided into surface elements. FIG.
6 is a flow chart of an inverse problem analysis method for searching for the distribution of magnetic charge distributed in the hull from the underwater magnetic field of a ship according to the present invention.
Fig. 7 is a view showing the definition of the magnetic charge distributed in the element line segments in the divided hull elements according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a simulation of an abnormal state of an element coil according to the present invention, and a comparison result of magnitudes of an underwater magnetic field of a trap including an element coil in a normal and abnormal state in the above example.
9 is a three-dimensional visualization of the distribution of the magnetic flux of the hull according to the present invention.
10 is a conceptual diagram of a method for diagnosing the position of an element coil of a trap in an abnormal state of a trap according to the present invention.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.It is to be understood that the words or words used in the present specification and claims are not to be construed in a conventional or dictionary sense and that the inventor can properly define the concept of a term to describe its invention in the best way And should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 함정 내의 소자코일의 배치도이다. 소자코일은 함정 내에서 L(longitudinal) 코일, A(athwartship) 코일, V(vertical) 코일 등 3축 방향으로 각각 설치된다. 종축 방향 자기장 감소는 L 코일, 횡축 방향 자기장 감소는 A 코일, 수직 방향 자기장 감소는 V 코일이 각각 담당하고, 함 내에 세 방향으로 설치된 다수의 소자코일에 적절한 전류를 인가하여 함 발생 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함 발생 자기장을 감소시킨다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a layout of element coils in a vessel according to the invention. The element coils are installed in three axes such as L (longitudinal) coil, A (athwartship) coil and V (vertical) coil in the traps. In the vertical axis direction, the magnetic field decreases in the L-coil, in the transverse direction, the A-coil decreases, and in the vertical direction, the V-coil decreases. Lt; RTI ID = 0.0 > magnetic field. ≪ / RTI >
도 2는 본 발명에 따른 함정의 소자코일이 정상 및 비정상 상태인 경우의 자기장 크기의 비교결과를 도시한 도면이다. 함정의 소자코일이 정상적으로 운영되고 있을 때 일정 수심에서 측정된 함정의 자기장 신호는 미세한 크기를 갖는 반면, 정상 운영 중인 번째 소자코일에 비정상상태가 발생할 경우, 측정된 함정의 자기장 신호의 형태와 크기에 큰 왜곡이 발생한다. 여기서 소자코일에 비정상상태가 발생한 경우라 함은 소자코일과 관련된 전원고장, 코일 단선 혹은 함이 운항 중 국부적으로 착자되어 소자전류의 재 산정이 필요한 경우 등을 의미한다. 본 발명에서는 특정 소자코일에 비정상상태가 발생할 경우, 측정된 수중 자기장으로부터 역 문제(inverse problem) 해석을 통하여 선체의 자기전하 분포를 산출하고 이로부터 비정상 상태인 소자 코일의 위치를 정확하게 추정하게 된다. 2 is a diagram showing a comparison result of magnetic field magnitudes when the element coils of the traps according to the present invention are in the normal and abnormal states. The magnetic field signal of the vessel measured at a certain depth when the element coil of the vessel is operating normally has a minute size, If an unsteady state occurs in the first element coil, a large distortion occurs in the shape and magnitude of the magnetic field signal of the measured traps. Here, the case where an abnormal state occurs in the element coil refers to a case where a power failure, coil disconnection or the like related to the element coil is locally generated during operation and re-calculation of the element current is required. In the present invention, when an abnormal state occurs in a specific element coil, the magnetic flux distribution of the hull is calculated through the inverse problem analysis from the measured underwater magnetic field, and the position of the element coil in an abnormal state is accurately estimated.
도 3은 본 발명에 따른 함정의 비정상인 소자코일의 위치를 진단하는 장치의 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 함정에서 발생하는 자기장신호를 측정하기 위한 신호 측정부(110)와, 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산화(discrete) 된 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하고, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 측정 데이터를 역 문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부(130)와, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역 문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 역 문제 해석부(150)와, 상기 역 문제 해석부에 의한 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 가시화부(170)를 포함할 수 있다.3 is a configuration diagram of an apparatus for diagnosing the position of an element coil which is abnormal in the traps according to the present invention. As shown in FIG. 3, a
각각의 구성에 대하여 구체적으로 살펴보면, 먼저 상기 신호 측정부(110)는 함정에서 발생하는 자기장 신호를 측정하며, 상기 측정한 자기장 신호를 저장하기 위한 자료저장장치를 포함하도록 구성될 수 있다. Specifically, the
다음으로, 상기 전처리부(130)의 구체적인 동작을 살펴보기 위하여 도 5를 참조한다. 도 5는 본 발명에 따른 전처리부에서 함정의 선체를 면 요소(201)로 분할하는 개념도이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전처리부(130)는 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산화(discrete) 된 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할한다. 또한, 상기 전처리부(130)는 상기 신호 수신부(110)에 의해 수신된 자기장 신호를 다음에 진행될 역 문제(inverse problem) 해석에서의 목표 데이터로 설정한다. Next, referring to FIG. 5, a specific operation of the
그리고, 상기 역 문제 해석부(150)는 상기 신호 측정부(110)에 의해 수신된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 복수 개의 면 요소(201)로 분할된 함정의 형상정보를 바탕으로 역 문제 해석방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(node)에 분포된 자하(magnetic charge)의 크기를 결정한다. 상기 역 문제 해석방법의 상세 흐름은 후술하는 도 6에 대한 설명에서 기술하도록 한다.The inverse
한편, 상기 가시화부(170)는 상기 역 문제 해석부(150)에 의한 해석결과로부터 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단한다.Meanwhile, the
도 4는 본 발명에 따른 함정의 비정상인 소자코일의 위치를 진단하는 시스템의 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 시스템은 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치와, 자기장 신호를 발생하는 함정(200)과, 일정한 수심에 설치되는 복수의 자기장 센서(401~403)와, 상기 자기장 센서와 상기 함정 간의 거리를 측정하기 위한 육상 제어장치(310) 및 해상 제어장치(210)를 포함한다. 여기서, 상기 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치의 신호 측정부(110)는 상기 자기장 센서(401~403)와 상기 육상 제어장치(310)로부터 측정된 신호들을 저장하는 자료저장장치(111)를 포함하며, 상기 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치는, 함정에서 발생하는 자기장신호를 측정하기 위한 신호 측정부(110)와, 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산화(discrete) 된 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하고, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 측정 데이터를 역 문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부(130)와, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역 문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 역 문제 해석부(150)와, 상기 역 문제 해석부에 의한 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 가시화부(170)를 포함할 수 있다.4 is a conceptual diagram of a system for diagnosing the position of an elementary coil which is abnormal in the traps according to the present invention. As shown in FIG. 4, the system for diagnosing the position of an element coil of an unsteady trap according to the present invention includes an apparatus for diagnosing the position of an element coil of an unsteady trap, a
이때, 상기 신호 측정부(110)의 구성요소 각각의 구체적인 기능은 상술한 바와 같다. The specific functions of the components of the
또한, 상기 육상 제어장치(310) 및 해상제어장치(210)는 DGPS(Differential GPS) 장비로 구성될 수 있다.Also, the
도 6은 본 발명에 따른 함정의 수중 자기장으로부터 선체에 분포하는 자기 전하 분포를 탐색하는 역 문제 해석방법의 흐름도이다. 역 문제 해석방법은 자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의하는 단계와, 상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집하는 단계와, 상기 설계변수의 초기치()를 0으로 설정하고 k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기()로 부터 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기()를 계산하는 단계와, 상기 계산된 자기장 신호의 크기()로 부터 목적함수(), 가상소스() 및 보조변수()를 각각 계산하는 단계와, 상기 계산된 가상 소스() 및 보조변수()로 부터 매질 민감도()를 계산하는 단계와, 상기 계산된 매질 민감도()와 목적함수()의 크기에 의해 해(解)의 수렴 여부를 판단하는 단계와, 상기 판단결과, 해가 수렴하면 역 문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설계변수()의 크기를 달리하여 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수()와 매질 민감도()를 계산하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다. 역 문제 해석방법은 함정 내의 비정상 상태의 소자 코일의 위치를 검출하기 위해, 먼저 목적함수와 설계변수를 정의한다. 상기 목적함수는 함정의 소자코일의 비정상 상태가 발생하기 전 및 발생한 후의 일정한 수심에서 관측된 자기장 신호의 크기의 차이와 상기 설계변수로부터 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과로 정의한다. 이때 정상 소자 상태의 수중 자기장 신호는 비정상 소자 상태의 자기장 신호에 비해 크기가 상대적으로 작기 때문에 0으로 설정하여도 비정상 상태인 소자코일을 진단할 경우 그 영향이 미약하다. 6 is a flow chart of an inverse problem analysis method for searching for the distribution of magnetic charge distributed in the hull from the underwater magnetic field of a ship according to the present invention. The inverse problem analysis method includes the steps of: defining a design parameter and an objective function for calculating a magnitude of a magnetic field signal; determining, after the design variables and the objective function are defined, Comprising the steps of: collecting shape information of a ship divided by a plurality of surface elements by means of an initial value ) Is set to 0 and the size of the design variable obtained in the k-th iteration step ( The magnitude of the magnetic field signal at the same point as the measurement point ( Calculating a magnitude of the magnetic field signal ) From the objective function ( ), A virtual source ( ) And auxiliary variables ( ), Respectively, and calculating the calculated virtual source ( ) And auxiliary variables ( ) To medium sensitivity Calculating the medium sensitivity (< RTI ID = 0.0 > ) And the objective function ( , And if the solution converges, the inverse problem analysis is terminated. If the convergence is not converged, ) Until the solution is converged, ) And medium sensitivity ) Is repeatedly performed. The inverse problem analysis method first defines the objective function and design variables in order to detect the position of the element coil in an abnormal state in the trap. The objective function is a result of summing up the magnitudes of the difference between the magnitude of the magnetic field signal observed at a certain water depth before and after the occurrence of the abnormal state of the element coil of the vessel and the magnitude of the magnetic field signal calculated from the design variable define. In this case, since the underwater magnetic field signal in the steady state is relatively small compared to the magnetic field signal in the abnormal element state, the influence of the underwater magnetic field signal is insignificant when it is diagnosed as an abnormal state.
여기서, 설계변수는 도 7과 같이 선체 표면을 다수개의 유한요소로 분할한 후, 요소 내의 벡터 량을 갖는 자화(magnetization)의 크기를 요소를 구성하는 각 선분 상의 스칼라 량을 갖는 자기전하()형태로 변환하여 정의한다. 이는 역 문제 해석 시 시스템의 미지수의 개수를 감소시키기 위함이다. 초기 설계변수, 즉 각 요소 선분 상의 미지변수인 자기전하의 값()은 0으로 설정한다. 결국, 역 문제 해석을 통한 반복계산 과정을 거쳐 목적함수를 최소화할 수 있는 선체 표면의 자기전하 분포를 탐색하는 것으로 귀착된다. Here, the design parameters are obtained by dividing the hull surface into a plurality of finite elements as shown in Fig. 7, the magnitude of the magnetization is calculated by dividing the magnitude of the magnetic charge having a scalar quantity on each line segment constituting the element ). This is to reduce the number of unknowns in the system when interpreting the inverse problem. The initial design variables, ie the value of the magnetic charge, the unknown variable in each element line segment ( ) Is set to zero. Finally, it results in searching the distribution of the magnetic charge on the hull surface which can minimize the objective function through the iterative calculation process through inverse problem analysis.
상기의 목적함수()와 선체의 자하 분포에 의한 자기장()은 다음의 수식 관계로 정의된다.The above objective function ( ) And the magnetic field due to the subducting distribution of the hull ( ) Is defined by the following equation.
[수학식1][Equation 1]
여기서, 어깨 문자인 nor과 abnor은 각각 정상, 비정상인 소자 상태를 나타내고, 는 수중 자기장을 나타낸다. 여기서 아래 문자인 i는 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축을 의미하고, j는 관측점을 의미한다. 또한,는 관측점의 개수를 의미하고, 은 선체를 분할한 요소의 전체 선분의 개수이다.Here, the shoulder letters nor and abnor represent normal and abnormal element states, respectively, Represents an underwater magnetic field. Here, i represents the directional vectors X, Y, and Z, respectively, and j represents the observation point. Also, Means the number of viewpoints, Is the total number of line segments of the element that divides the hull.
[수학식2]&Quot; (2) "
여기서, 는 자기 투자율, 는 선체 두께, 는 k번째 요소 선분에서의 자하량, 은 선체 표면의 k번째 요소 선분과 관측점 사이의 거리, 은 해당 요소의 선분의 길이이다.here, Magnetic permeability, Is the thickness of the hull, Is the self-contained amount in the kth element line segment, Is the distance between the kth element line segment of the hull surface and the observation point, Is the length of the line segment of the element.
매 반복계산 과정을 통해 선체 표면의 자기 전하량은 업데이트되고, 관측점에서의 자기장은 업데이트된 자기 전하량과 상기 수학식 2를 사용하여 계산된다. 그리고 수학식 1에 의해 현 설계시점에서의 목적함수 값이 도출된다. 설계변수인 각 요소 선분 상의 자기전하에 대한 목적함수의 일계 미분정보를 해석적인 매질 민감도 식을 이용하여 계산하기 위해서는 보조시스템에 대한 해석이 요구된다. 이러한 보조 시스템에 사용되는 가상소스()는 목적함수를 자기장에 대해 편미분 함으로써 구할 수 있고 이는 물리적으로 자화량에 해당한다. 각 관측점에서 계산된 가상의 자화량을 바탕으로 선체를 구성하는 요소의 각 선분 상에서 자기전위(magnetic potential)를 계산하여 보조변수()를 구한다. 선체 요소의 선분 상에서 계산된 보조변수와 자화량을 바탕으로 매질 민감도()를 계산한다. 여기서, 매질 민감도란 선체 요소의 각 선분 상의 자화량의 미소변화에 대한 목적함수의 미소변화량, 즉 기울기 정보를 말한다. 이때 “"의 는 설계변수를 의미하는 것으로 여기서는 자화량()에 해당한다. The amount of magnetic charge on the hull surface is updated through every iterative calculation process, and the magnetic field at the observation point is calculated using the updated amount of magnetic charge and Equation 2 above. Then, the objective function value at the current design stage is derived by Equation (1). Analysis of the auxiliary system is required to calculate the linear differential information of the objective function for the magnetic charge on each element line segment, which is a design variable, using the analytical medium sensitivity formula. The virtual sources used in these subsystems ( ) Can be obtained by partial differentiation of the objective function with respect to the magnetic field, which corresponds to the amount of magnetization physically. Based on the imaginary magnitudes calculated at each observation point, the magnetic potential is calculated on each line segment of the elements constituting the hull, ). Based on the auxiliary variables and magnetization values calculated on the line segments of the hull element, ). Here, the medium sensitivity refers to the amount of minute change in the objective function, that is, the slope information with respect to a minute change in the magnetization amount on each line segment of the hull element. At this time " "of Is a design variable. Here, the magnetization amount ( ).
상기의 가상소스(), 보조변수()와 매질 민감도()는 다음의 수식 관계로 정의된다.The above virtual source ( ), Auxiliary variables ( ) And medium sensitivity ) Is defined by the following equation.
[수학식3]&Quot; (3) "
여기서, 는 번째 관측점에서 자화량()의 번째 방향성분이다.here, The Magnetization amount at the second observation point ( )of Direction component.
[수학식4]&Quot; (4) "
여기서, 선체 요소의 번째 선분에서의 보조변수()는 각 관측점에서 자화량 에 의해 발생하는 번째 선분에서의 자기전위의 합이다.Here, Of the second line segment ( ) Is the magnitude of magnetization Caused by Lt; th > line segment.
[수학식5]&Quot; (5) "
여기서, 는 요소의 번째 선분에서 계산되는 매질 민감도 값이다.here, Of the element Is the medium sensitivity value calculated in the second line segment.
각 선체 요소의 선분에서 계산되는 자화량은 매 반복계산을 통하여 수정된다. 도 6에서 보듯이 상기의 과정들은 반복 계산을 수행하게 되며 목적함수의 변화량이 설정된 일정 수준 이하로 계산될 때 반복 과정을 마치게 된다. 이런 반복 계산을 통해 최소의 목적함수를 가지는, 즉 정상 소자와 비정상 소자에서 발생하는 수중 자기장 차를 구현할 수 있는 선체 표면의 자기전하 분포를 찾을 수 있다. 이를 3차원으로 가시화하여 일정 수심에서 관측되는 수중 자기장 차를 발생시키는 함정 내의 비정상상태인 소자코일의 위치를 진단할 수 있다.The amount of magnetization calculated from the line segments of each hull element is modified through every iteration. As shown in FIG. 6, the above processes perform an iterative calculation, and when the variation of the objective function is calculated to a predetermined level or less, the iterative process is completed. Through such iterative calculations, we can find the distribution of the magnetic charge on the surface of the hull which has the minimum objective function, that is, the underwater magnetic field difference that occurs in steady and unsteady elements. This can be visualized in three dimensions to diagnose the position of the element coil, which is an abnormal state in the vessel that generates the underwater magnetic field difference observed at a certain depth of water.
도 8은 본 발명에 따른 소자 코일의 비정상 상태를 모의한 예시 및 상기 예시에서 정상, 비정상 상태의 소자코일을 포함한 함정의 수중 자기장의 크기의 비교결과를 도시한 도면이다. 상기 발명의 실시 예를 위하여 도 1과 같이 10개의 L코일과 각각 5개의 A코일과 V코일이 설치된 총 20개의 소자 코일을 탑재한 함정에 소자 코일의 고장을 모의하였다. 고장 코일 모의는 도 1에서 표기된 L6 코일 고장, A3 코일 고장 및 V2, V3 코일 고장의 세 가지 고장 사례를 고려하였다. 도 8은 소자코일의 비정상상태가 함정 내에 발생하였을 경우, 일정 수심에서 관측되는 정상/비정상상태인 소자코일을 포함한 함정의 수중 자기장 신호의 차이를 제시한다. 도 8에서와 같이 고장 코일의 종류에 따라 수중 자기장의 차를 나타내는 X축, Y축, Z축 성분들 사이에 서로 다른 변화 양상이 나타남을 볼 수 있다. 본 발명에서 제시한 매질 민감도 법을 이용한 역 문제 해석을 통하여 고장 코일의 모의 조건에 따라 각 수중 자기장 차에 해당하는 선체 표면의 자기 전하 분포를 탐색한다.FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a simulation of an abnormal state of an element coil according to the present invention, and a comparison result of magnitudes of underwater magnetic fields of a trap including element coils in a normal state and an abnormal state in the above example. For the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the failure of the element coil is simulated in a vessel having a total of 20 element coils each including 10 L coils and 5 A coils and 5 V coils, respectively. The failure coil simulation considers three failure cases shown in Fig. 1, namely, an L 6 coil failure, an A 3 coil failure, and a V 2 and V 3 coil failure. FIG. 8 shows the difference of the underwater magnetic field signal of the trap including the element coil which is a normal / abnormal state observed at a certain depth when an abnormal state of the element coil occurs in the trap. As shown in FIG. 8, it can be seen that there are different variations between the X, Y, and Z axis components representing the difference of the underwater magnetic field depending on the type of the failure coil. Through the inverse problem analysis using the medium sensitivity method proposed in the present invention, the magnetic charge distribution on the surface of the hull corresponding to the underwater magnetic field difference is searched according to the simulation condition of the failure coil.
도 9는 본 발명에 따른 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면이다. 도 9는 상기 세 가지 고장 코일 모의 조건에 따라 선체 표면에서 구해진 자기 전하 분포를 제시하고 있다. 도 9에서와 같이 세 가지 고장 조건에 따라 선체 표면에 분포하는 자기전하의 패턴이 각각 상이함을 알 수 있다. 즉, L6 코일 고장인 Case I의 경우, 자기전하의 음, 양의 분포가 선저 부분에 분포하고 이 전하 분포 사이에 고장 코일이 위치함을 암시하고 있다. A3 코일 고장의 경우인 Case II에 해당하는 자기전하 분포는 선체의 양측 면에 자기 음전하와 양전하가 집중되어 분포됨을 확인할 수 있다. 마지막으로 V2와 V3의 두 개의 코일 고장인 Case III에서는 자기 전하의 분포가 갑판과 선저부에 집중되고 전하 분포의 범위가 상기 두 경우에 비해 넓게 분포된다. 상기와 같이 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면에서 자기전하의 음, 양의 분포를 신속하게 파악하고, 이로부터 자기전하의 음, 양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 신속하게 진단할 수 있다.9 is a three-dimensional visualization of the distribution of the magnetic flux of the hull according to the present invention. Fig. 9 shows the distribution of magnetic charge obtained from the surface of the hull according to the above three failure coil simulation conditions. As shown in FIG. 9, it can be seen that the patterns of magnetic charge distributed on the surface of the ship are different according to three failure conditions. That is, in Case I, which is a failure of L 6 coil, the negative and positive distributions of magnetic charge are distributed in the bottom portion and the fault coil is located between these charge distributions. The distribution of magnetic charge corresponding to Case II in case of A 3 coil failure can be confirmed that magnetic negative charge and positive charge are concentrated on both sides of the hull. Finally, in Case III, which is a two-coil fault of V 2 and V 3 , the distribution of magnetic charge is concentrated on deck and bottom, and the range of charge distribution is wider than those of the two cases. As described above, the distribution of the magnetic charge in the ship is visualized three-dimensionally, and the distribution of the negative and positive charges of the magnetic charge is quickly identified. From this, the fact that the element coil between the negative and positive distributions of the magnetic charge is in an abnormal state, Can be diagnosed.
도 10은 본 발명에 따른 함정의 비정상인 소자 코일의 위치를 진단하는 방법의 흐름도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, (a) 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 상기 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격 거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정(110)부의 해상제어장치(210) 및 육상제어장치(310)에서 수신하여 자기장 신호를 측정하는 단계(S401)와, (b) 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산화(discrete) 된 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리(130)부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하는 단계(S402)와, (c) 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역 문제 해석부(150)에 의한 역 문제 해석방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(node)에 분포된 자하(magnetic charge)의 크기를 결정하는 단계(S403)와, (d) 상기 역 문제 해석부에 의한 역 문제 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 단계(S404)를 포함할 수 있다. 상기 각각의 단계는 위에서 서술한 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치에서의 기능과 같으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.10 is a flow chart of a method for diagnosing the location of an elementary coil that is unstable in a vessel according to the present invention. As shown in FIG. 10, (a) a detection signal of the sensor according to the relative distance between the magnetic field sensor and the vessel is transmitted to the
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention, as claimed, and will be fully understood by those of ordinary skill in the art. The present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, substitutions, and alterations can be made hereto without departing from the spirit of the invention, and it is obvious that those parts which are easily changed by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.
110: 신호 측정부
111: 자료저장장치
130: 전처리부
150: 역 문제 해석부
170: 가시화부
200: 함정
201: 면 요소
210: 해상 제어장치
310: 육상 제어장치
401~403: 자기장 센서
500: 일정 수심 110: Signal measurement unit
111: Data storage device
130:
150: reverse problem interpreting part
170:
200: Trap
201: Cotton element
210:
310: Land control device
401 ~ 403: magnetic field sensor
500: constant water depth
Claims (14)
함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산화된 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하고, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 측정 데이터를 역 문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부;
상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역 문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 역 문제 해석부; 및
상기 역 문제 해석부에 의한 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 가시화부를 포함하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치에 있어서,
상기 가시화부는 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면에서 자기전하의 음, 양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 진단하도록 자기전하의 음, 양의 분포를 표시하는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치.
A signal measuring unit for measuring a magnetic field signal generated in the vessel;
The surface of the ship's hull is divided into a plurality of surface elements in order to distribute the magnetic field signal magnetic field in the discretized form on the surface of the ship's hull, and the measurement data measured by the signal measuring section is set as target data for inverse problem analysis Lt; / RTI >
The magnetic field signal of the traps measured by the signal measuring unit and the shape information of the traps divided into a plurality of surface elements by the preprocessing unit, An inverse problem analyzing unit for determining the size of the input image; And
The position of the element coil of the unsteady trap including the visualization unit for visualizing the magnetic field distribution of the surface of the hull derived from the analysis result by the inverse problem analysis unit in three dimensions and diagnosing the position of the element coil of the trap in an abnormal state, In an apparatus for diagnosing,
Wherein the visualization unit displays a negative or positive distribution of the magnetic charge so as to diagnose that the element coil between the negative and positive distributions of the magnetic charge in the three-dimensional distribution of the magnetic flux distribution of the ship is in an abnormal state. A device for diagnosing the position of an element coil of a trap that is in a state.
상기 신호 측정부는 자기장 신호 감지를 위해 일정한 수심에 설치되는 다수의 자기장 센서와, 함정의 이동궤적을 측정하여 상기 자기장 센서와 함정 간의 상대적인 거리를 측정하기 위한 육상제어장치 및 해상 제어장치와, 상기 자기장 센서와 육상제어장치로부터 측정된 신호를 저장하기 위한 자료저장장치를 포함하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치.The method according to claim 1,
The signal measuring unit includes a plurality of magnetic field sensors installed at a predetermined depth for detecting a magnetic field signal, a terrestrial control device and a marine control device for measuring a relative distance between the magnetic field sensor and the vessel by measuring a trajectory of the vessel, An apparatus for diagnosing the location of an elementary coil of an unsteady trap including a sensor and a data storage device for storing a measured signal from a terrestrial control device.
상기 육상제어장치 및 해상제어장치는 DGPS(Differential GPS)장비인 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the land control device and the marine control device are DGPS (Differential GPS) devices.
상기 역 문제 해석부는 역 문제 해석 방법을 이용하여 상기 목표 데이터로부터 상기 전처리부에 의해 분할된 함정의 각 면 요소의 노드에 이산 분포된 자하의 크기를 구하고, 그 구해진 자하의 크기로부터 다시 측정 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하며, 계산된 결과와 목표 데이터인 측정 결과를 비교하여 그 차이가 목적함수의 수렴범위 내에 존재하면 역 문제 해석을 종료하는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치.The method according to claim 1,
Wherein the inverse problem analysis unit obtains the size of the discoid distributed discrete in the nodes of each surface element of the vessel divided by the preprocessing unit from the target data using the inverse problem analysis method, And the inverse problem analysis is terminated when the difference is within a convergence range of the objective function. The apparatus according to claim 1, Apparatus for diagnosing position.
상기 목적함수는 함정의 소자코일의 비정상 상태가 발생하기 전 및 비정상상태가 발생한 후의 일정한 수심에서 관측된 자기장 신호의 크기의 차이와 설계변수로부터 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 장치. 5. The method of claim 4,
The objective function is a sum of the difference between the magnitude of the magnitude of the magnetic field signal observed at a certain depth before the occurrence of the abnormal state of the element coil of the traps and the magnitude of the magnitude of the magnetic field signal calculated from the design variables Wherein the device is in the abnormal condition.
(a) 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정부의 해상제어장치 및 육상제어장치에서 수신하여 자기장 신호를 측정하는 단계;
(b) 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산화된 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면 요소로 분할하는 단계;
(c) 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역 문제 해석부에 의한 역 문제 해석방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 단계; 및
(d) 상기 역 문제 해석부에 의한 역 문제 해석결과에서 도출된 선체 표면의 자하 분포를 3차원으로 가시화하여, 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 단계를 포함하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법에 있어서,
상기 (d)단계는, 선체의 자기 전하 분포를 3차원으로 가시화한 도면에서 자기전하의 음,양의 분포를 파악하고, 상기 자기전하의 음,양의 분포가 표시된 도면으로부터 자기전하의 음,양의 분포 사이의 소자코일이 비정상상태임을 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.A diagnostic method for diagnosing a position where an abnormal state of an element coil of a vessel including a signal measuring unit, a preprocessing unit, an inverse problem analyzing unit, and a visualizing unit occurs,
(a) receiving a sensing signal of the sensor according to a relative distance between the magnetic field sensor and the vessel as the trajectory moves along the trajectory, and measuring the magnetic field signal by receiving the signal at the sea level control device and the terrestrial control device;
(b) dividing the surface of the ship's hull into a plurality of surface elements by the pretreatment unit in order to distribute the magnetic field signals in the discretized form on the surface of the hull of the ship;
(c) using the inverse problem analysis method by the inverse problem analysis unit, based on the magnetic field signal of the trap measured by the signal measuring unit and the shape information of the trap divided into a plurality of surface elements by the preprocessing unit Determining the magnitude of the magnetic flux distributed to nodes of each element of the vessel; And
(d) visualizing the hypocentral distribution of the surface of the hull, which is derived from the inverse problem analysis result by the inverse problem analysis unit, in three dimensions, and diagnosing the position of the element coil of the trap in an abnormal state, A method for diagnosing a position of an element coil,
(D) is a graph showing the distribution of negative and positive charges of the magnetic charge in the three-dimensional visualization of the distribution of the magnetic charge of the hull, and the negative and positive distributions of the magnetic charge are plotted, And the element coil between the positive distribution and the negative distribution is in an abnormal state.
상기 단계 (c)에서의 상기 역 문제 해석방법은,
자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의하는 단계;
상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와 상기 전처리부에 의해 다수의 면 요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집하는 단계;
상기 설계변수의 초기치()를 0으로 설정하고 k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기()를 바탕으로 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기()를 계산하는 단계;
상기 계산된 자기장 신호의 크기()로 부터 목적함수(), 가상소스() 및 보조변수()를 각각 계산하는 단계;
상기 계산된 가상소스()와 보조변수()를 바탕으로 매질 민감도()를 계산하는 단계;
상기 계산된 매질 민감도()와 목적함수()의 크기에 의해 해(解)의 수렴 여부를 판단하는 단계; 및
상기 판단결과, 해가 수렴되면 역 문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설계변수()의 크기를 달리하여 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수()와 매질 민감도()를 계산하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.8. The method of claim 7,
The inverse problem analysis method in the step (c)
Defining a design parameter and an objective function for calculating a magnitude of a magnetic field signal;
Collecting the shape information of the traps divided into a plurality of surface elements by the preprocessing unit and the magnetic field signal of the traps measured by the signal measuring unit after the design variables and the objective function are defined;
The initial values of the design variables ) Is set to 0 and the size of the design variable obtained in the k-th iteration step ( The magnitude of the magnetic field signal at the same point as the measurement point ( );
The magnitude of the calculated magnetic field signal ( ) From the objective function ( ), A virtual source ( ) And auxiliary variables ( Respectively;
The calculated virtual source ( ) And auxiliary variables ( ) On the basis of the medium sensitivity );
The calculated medium sensitivity ( ) And the objective function ( Determining whether the solution is converged by the size of the solution; And
As a result of the determination, if the solution converges, the inverse problem interpretation is terminated. If convergence is not achieved, ) Until the solution is converged, ) And medium sensitivity ) Of the trajectory of the trajectory of the trapezoid.
상기 설계변수는 선체 표면을 다수개의 유한요소로 분할한 후, 요소 내의 벡터 량을 갖는 자화의 크기를 요소를 구성하는 각 선분 상의 스칼라 량을 갖는 자기전하형태로 변환하여 정의한 것이고, 상기 목적함수는 함정의 소자코일의 비정상 상태가 발생하기 전 및 발생한 후의 일정한 수심에서 관측된 자기장 신호의 크기의 차이와 상기 설계변수를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.9. The method of claim 8,
The design parameter is defined by dividing the hull surface into a plurality of finite elements and then converting the magnitude of the magnetization having the vector quantity in the element into a magnetic charge shape having a scalar quantity on each line segment constituting the element. It is a result of summing up the difference of the magnitude of the magnetic field signal observed at a certain depth before and after the occurrence of the abnormal state of the element coil of the vessel and the square of the difference between the magnitude of the magnetic field signal calculated based on the design variable The method comprising the steps of:
상기 설계변수의 크기()를 바탕으로 계산한 자기장 신호의 크기()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.
여기서, 는 자기 투자율, 는 선체 두께, 는 k번째 요소 선분에서의 자하량, 은 선체 표면의 k번째 요소 선분과 관측점 사이의 거리, 은 해당 요소의 선분의 길이이다.9. The method of claim 8,
The size of the design variable ( The magnitude of the magnetic field signal calculated on the basis of ) Is expressed by the following equation: " (1) "
here, Magnetic permeability, Is the thickness of the hull, Is the self-contained amount in the kth element line segment, Is the distance between the kth element line segment of the hull surface and the observation point, Is the length of the line segment of the element.
상기 목적함수()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.
여기서, 어깨 문자인 nor과 abnor은 각각 정상, 비정상인 소자 상태이고, 는 수중 자기장이다. 여기서 아래 문자인 i는 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축이고, j는 관측점이다. 또한,는 관측점의 개수이고, 은 선체를 분할한 요소의 전체 선분의 개수이다.9. The method of claim 8,
The objective function ( ) Is expressed by the following equation: " (1) "
Here, the shoulder letters nor and abnor are normal and abnormal element states, respectively, Is an underwater magnetic field. Here, the following character i is an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis, which are direction vectors, and j is a viewpoint. Also, Is the number of observation points, Is the total number of line segments of the element that divides the hull.
상기 가상소스() 및 보조변수()는 각각 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.
여기서, 는 번째 관측점에서 자화량()의 번째 방향성분이고, 선체 요소의 번째 선분에서의 보조변수()는 각 관측점에서 자화량 에 의해 발생하는 번째 선분에서의 자기전위의 합이다.9. The method of claim 8,
The virtual source ( ) And auxiliary variables ( ) Is expressed by the following equation: < RTI ID = 0.0 >#< / RTI >
here, The Magnetization amount at the second observation point ( )of Of the hull element, Of the second line segment ( ) Is the magnitude of magnetization Caused by Lt; th > line segment.
상기 매질 민감도()는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 비정상상태인 함정의 소자코일의 위치를 진단하는 방법.
여기서, 는 요소의 번째 선분에서 계산되는 매질 민감도 값이다.9. The method of claim 8,
The medium sensitivity ( ) Is expressed by the following equation: " (1) "
here, Of the element Is the medium sensitivity value calculated in the second line segment.
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